EP0804680A1 - Geschmiedeter oder gegossener kolbenkopf eines mehrteiligen kolbens - Google Patents

Geschmiedeter oder gegossener kolbenkopf eines mehrteiligen kolbens

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EP0804680A1
EP0804680A1 EP96900584A EP96900584A EP0804680A1 EP 0804680 A1 EP0804680 A1 EP 0804680A1 EP 96900584 A EP96900584 A EP 96900584A EP 96900584 A EP96900584 A EP 96900584A EP 0804680 A1 EP0804680 A1 EP 0804680A1
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piston
ring section
hubs
crown
forged
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Kolbenschmidt AG
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    • F05C2203/0865—Oxide ceramics
    • F05C2203/0882—Carbon, e.g. graphite

Definitions

  • the invention relates to a forged or cast piston head of a multi-part piston for
  • the guiding and sealing functions are separated from one another.
  • the piston head which comprises the piston crown, the ring section, the hubs and their supports, is connected to the piston skirt by the piston pin.
  • This design means that the piston skirt is better shielded from the hot piston crown and ring section and can therefore be installed with less clearance than with one-piece pistons, which has a positive effect on smooth running.
  • the lateral forces caused by the crank mechanism also have little influence on the piston head due to the articulated connection. This leads
  • FIG. 1 shows a cross section through a piston head for a multi-part piston for diesel engines along the plane including the piston pin axis and the piston axis, consisting of a piston plate (2) forged in one piece from steel and having a combustion chamber bowl (1), the piston plate radially outwards against the piston plate ( 2) adjoining the upper part of the ring section (3), which has the uppermost ring groove, and the supports (5), which are attached to the underside of the piston crown (2) and carry the hubs (4), which are attached at a distance from the inside of the ring section (3).
  • the lower part (6) of the ring section (3) consists of austenitic special cast iron or steel and is connected to the upper part via a weld seam (7). Bearing bushes (9) are inserted into the pin hub bores (8).
  • FIG. 2 shows a cross section through a piston head along the plane including the piston pin axis and the piston axis for a piston in a multi-part construction, in which the piston crown (10), the hubs (11), in their bores (12), bearing bushes (13 ) are used, and the supports (14) supporting the hubs (11) are forged in one piece from steel.
  • the ring section (15) which is produced separately from austenitic cast iron, is connected to the piston crown (10) via a weld seam (16).
  • FIG 3 shows a side view of a piston head in the pin direction for a piston in a multi-part construction, in which the piston crown (17), the supports (18) connected to it and the ring section (19) are forged in one piece from tempered steel.
  • the supports (18) are provided with a hub segment (20) into which the hub rings (21), which are made separately from the spheroidal graphite cast iron material, are inserted and connected to them via weld seams (22).
  • FIG. 4 A modification of the piston head according to FIG. 3 is shown in FIG. 4, in which the hub rings (21) are opposed by steel bands (23) tensioned against their outer circumference, the ends of which are connected and positioned to the supports (18) via weld seams (24) the hub segments (20) are pressed.
  • FIG. 5 shows a further modification of the piston head according to FIG. 3.
  • the joints (25) of the hub segments (20) connected to the supports (18) are connected to the joints (26) of the legs (27) of the lower hub segments (28) projecting beyond the horizontal central plane of the piston pin (not shown) via weld seams (29). connected.
  • FIG. 6 Another modification of the piston head according to FIG. 3 can be seen in FIG. 6, in which sections (30) protruding from the upper hub segments (20) with semicircular arc length are formed and formed by bending over to the lower hub segment (31) and the sections (30 ) are connected by a weld seam (32).
  • Fig. 7 shows a along the piston axis and the piston pin axis cross section through a piston head for a piston in a multi-part construction.
  • the piston crown (33), the ring portion (34), the supports (35) connected to the piston crown (33) and the Hubs (36) are forged in one piece from tempered steel.
  • the hubs (36) in the piston bottom side section are narrower than the width of the bearing bushes (38) inserted into the hubs (36).
  • the lateral projection of the bearing bushes (38) is supported by fillet weld seams (39), which direct the flow of force from the bearing bushes (38) into the hubs (35).
  • FIG. 8 shows a modification of the piston head according to FIG. 5, in which a bearing shell (40), which is supported on the joints (26) of the lower hub segments (28), is inserted into the upper hub segments (20).
  • FIG. 9 shows a further embodiment of the piston head according to FIG. 1.
  • an annular sheet-metal part (41) with a cross-sectional trough is arranged above the horizontal plane enclosing the lower groove flank of the second annular groove to form a cooling belt (42).

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Abstract

Bei einem Kolbenkopf eines mehrteiligen Kolbens für Verbrennungskraftmaschinen geht der Kolbenboden radial nach außen in den die Kolbenringnuten aufweisenden Ringabschnitt über, die die Naben tragenden Abstützungen sind im Abstand von der Innenseite des Ringabschnitts angebracht, und in den Bolzenaugenbohrungen ist der den Kolbenschaft tragende Kolbenbolzen lagerbar. Eine verbesserte Herstellung des Kolbenkopfs wird dadurch erreicht, daß der Ringabschnitt über eine Schweiß-, Löt-, Reibschluß- oder Formschlußverbindung mit dem Kolbenboden verbunden ist.

Description

Geschmiedeter oder gegossener Kolbenkopf eines mehrteiligen Kolbens
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft einen geschmiedeten oder gegossenen Kolbenkopf eines mehrteiligen Kolbens für
Verbrennungskraftmaschinen, bei dem der Kolbenboden radial nach außen in den die Kolbenringnuten aufweisenden Ringabschnitt übergeht, die die Naben tragenden mit der Unterseite des Kolbenbodens verbundenen AbStützungen im Abstand von der Innenseite des Ringabschnitts angebracht sind und in den Bolzenaugenbohrungen der den Kolbenschaft tragende Kolbenbolzen lagerbar ist.
Bei einem solchen Kolben, der beispielsweise in der Firmenschrift: "75 Jahre Kolbenschmidt", Kolbenschmidt AG, Neckarsulm 1985, S. 60, beschrieben ist, sind die Führungs- und Abdichtfunktion voneinander getrennt. Der Kolbenkopf, der den Kolbenboden, den Ringabschnitt, die Naben und deren AbStützungen umfaßt, ist mit dem Kolbenschaft durch den Kolbenbolzen verbunden. Durch diese Bauweise ist der Kolbenschaft vom heißen Kolbenboden und Ringabschnitt besser abgeschirmt und kann also mit engerem Spiel als bei einteiligen Kolben eingebaut werden, was sich günstig auf die Laufruhe auswirkt. Die vom Kurbeltrieb verursachten Seitenkräfte sind zudem, infolge der gelenkigen Anbindung, von geringem Einfluß auf den Kolbenkopf. Dieser führt
ORIGINAL UNTERLAGEN sich selbst im Zylinder und kann mit einem kleineren Spiel als dieses bei einem einteiligen Kolben möglich ist, betriebssicher eingebaut werden. Die Abdichtung gegen den Verbrennungsraum wird dadurch verbessert und die Durchblasemenge, die Verkokung der Ringnut und der Nutenverschleiß verringert. Bei dem in der Regel aus Stahl oder Gußeisen bestehenden durch Schmieden oder Gießen hergestellten Kolbenkopf gestaltet sich die Formgebung des hinter dem Ringfeld umlaufenden Kanals wegen der Größe der Naben ausgesprochen schwierig.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolbenkopf der eingangs beschriebenen Gestalt für einen mehrteiligen Kolben so auszubilden, daß eine verbesserte Formgebung, insbesondere im Bereich des hinter dem Ringabschnitt umlaufenden Kanals möglich ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen Kolbenkopf mit den Merkmalen nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Die Verbundbauweise des Kolbenkopfs aus mehreren unterschiedlich gefertigten Rohteilen, die gleichzeitige Anwendung mehrerer Fügeverfahren zur Verbindung der Rohteile und die Kombination mehrerer Werkstoffe führt zu einem optimalen Kolbenbauteil.
Die Erfindung ist nachfolgend durch mehrere in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Kolbenkopf für einen mehrteiligen Kolben für Dieselmotoren entlang der Kolbenbolzenachse und Kolbenachse einschließenden Ebene, bestehend aus einem einteilig aus Stahl geschmiedeten eine Brennraummulde (1) aufweisenden Kolbenboden (2), dem radial nach außen an den Kolbenboden (2) anschließenden die oberste Ringnute aufweisenden oberen Teil des Ringabschnitts (3) und den mit Abstand von der Innenseite des Ringabschnitts (3) angebrachten die Naben (4) tragenden mit der Unterseite des Kolbenbodens (2) verbundenen Abstützungen (5). Der untere Teil (6) des Ringabschnitts (3) besteht aus austenitischem Sondergußeisen oder Stahl und ist mit dem oberen Teil über eine Schweißnaht (7) verbunden. In die Bolzennabenbohrungen (8) sind Lagerbuchsen (9) eingesetzt.
In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch einen Kolbenkopf entlang der die Kolbenbolzenachse und die Kolbenachse einschließenden Ebene für einen Kolben in mehrteiliger Bauweise dargestellt, bei dem der Kolbenboden (10), die Naben (11), in deren Bohrungen (12) Lagerbuchsen (13) eingesetzt sind, und die die Naben (11) tragenden AbStützungen (14) einteilig aus Stahl geschiedet sind. Der getrennt aus austenitischem Gußeisen hergestellte Ringabschnitt (15) ist über eine Schweißnaht (16) mit dem Kolbenboden (10) verbunden.
In Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Kolbenkopfs in Bolzenrichtung für einen Kolben in mehrteiliger Bauweise wiedergegeben, bei dem der Kolbenboden (17), die mit diesem verbundenen Abstützungen (18) und der Ringabschnitt (19) einteilig aus Vergütungsstahl geschmiedet sind. Die Abstützungen (18) sind mit einem Nabensegment (20) versehen, in die die getrennt aus dem Werkstoff Gußeisen mit Kugelgraphit durch Gießen gefertigten Nabenringe (21) eingesetzt und mit diesen über Schweißnähte (22) verbunden sind.
Eine Abwandlung des Kolbenkopfs gemäß Fig. 3 zeigt Fig. 4, bei dem die Nabenringe (21) durch gegen ihren Außenumfang gespannte Stahlbänder (23), deren Enden mit den Abstützungen (18) über Schweißnähte (24) verbunden sind und positioniert sind, gegen die Nabensegmente (20) gedrückt sind.
In Fig. 5 ist eine weitere Abwandlung des Kolbenkopfs nach Fig. 3 wiedergegeben. Dabei sind die Stöße (25) der mit den Abstützungen (18) verbundenen Nabensegmente (20) mit den Stößen (26) der über die horizontale Mittelebene des nicht dargestellten Kolbenbolzens überstehenden Schenkel (27) der unteren Nabensegmente (28) über Schweißnähte (29) verbunden. Eine andere Abwandlung des Kolbenkopfs gemäß Fig. 3 ist in Fig. 6 zu sehen, bei dem an die oberen Nabensegmente (20) mit Halbkreisbogenlänge überstehende Abschnitte (30) angeschmiedet und durch Umbiegen zu den unteren Nabensegment (31) geformt und die Abschnitte (30) durch eine Schweißnaht (32) verbunden sind.
Fig. 7 stellt einen entlang der Kolbenachse und der Kolbenbolzenachse verlaufenden Querschnitt durch einen Kolbenkopf für einen Kolben in mehrteiliger Bauweise dar. Der Kolbenboden (33), der Ringabschnitt (34), die mit dem Kolbenboden (33) verbundenen Abstützungen (35) und die Naben (36) sind einteilig aus Vergütungsstahl geschmiedet. Um ein besseres Schmieden des hinter dem Ringabschnitt (34) verlaufenden Kanals (37) zu ermöglichen, sind die Naben (36) im kolbenbodenseitigen Abschnitt schmaler als die Breite der in die Naben (36) eingesetzten Lagerbuchsen (38) ausgebildet. Der seitliche Überstand der Lagerbuchsen (38) ist durch Kehlschweißnähte (39) abgestützt, die den Kraftfluß aus den Lagerbuchsen (38) in die Naben (35) lenken.
Fig. 8 zeigt eine Abwandlung des Kolbenkopfs nach Fig. 5 bei dem in die oberen Nabensegmente (20) jeweils eine sich auf den Stößen (26) der unteren Nabensegmente (28) abstützende Lagerschale (40) eingesetzt ist.
In Fig. 9 ist eine weitere Ausgestaltung des Kolbenkopfes nach Fig. 1 dargestellt. In dem hinter der Innenseite des Ringabschnitts (6) befindlichen Ringraum ist oberhalb der die untere Nutenflanke der zweiten Ringnute einschließenden horizontalen Ebene ein kreisringförmiges im Querschnitt trogförmiges Blechteil (41) zur Bildung eines Kühlbands (42) angeordnet.
Zur Herstellung der Verbundbauweise des Kolbenkopfs sind praktisch alle Schweiß- sowie Lötverfahren geeignet.

Claims

Patentansprüche
Geschmiedeter oder gegossener Kolbenkopf eines mehrteiligen Kolbens für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem der Kolbenboden radial nach außen in den die Kolbenringnuten aufweisenden Ringabschnitt übergeht, die die Naben tragenden mit der Unterseite des Kolbenbodens verbundenen Abstützungen im Abstand von Innenseite des Ringabschnitts angebracht sind und in den Bolzenaugenbohrungen der den Kolbenschaft tragende Kolbenbolzen lagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil des Ringabschnitts über eine Schweiß-, Löt-, Reibschluß- oder Formschlußverbindung mit dem oberen Teil des Ringabschnitts verbunden ist.
Geschmiedeter oder gegossener Kolbenkopf eines mehrteiligen Kolbens für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem der Kolbenboden radial nach außen in den die Kolbenringnuten aufweisenden Ringabschnitt übergeht, die die Naben tragenden mit der Unterseite des Kolbenbodens verbundenen Abstützungen im Abstand von Innenseite des Ringabschnitts angebracht sind und in den Bolzenaugenbohrungen der den Kolbenschaft tragende Kolbenbolzen lagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringabschnitt über eine Schweiß-, Löt-, Reibschluß- oder Formschlußverbindung mit dem Kolbenboden verbunden ist.
Kolbenkopf nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden aus Stahl, vorzugsweise Vergütungsstahl und Schmiedestahl, Gußeisen, vorzugsweise Gußeisen mit Kugelgraphit, Tempergußeisen oder
Aluminid-Werkstoff, insbesondere TiAl, und Ni,Al, und der Ringabschnitt aus einer Aluminiumkolbenlegierung, aus austenitischem Sondergußeisen oder aus einem der Werkstoffe des Kolbenbodens besteht.
Geschmiedeter oder gegossener Kolbenkopf eines mehrteiligen Kolbens für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem der Kolbenboden radial nach außen in den die Kolbenringnuten aufweisenden Ringabschnitt übergeht, die die Naben tragenden mit der Unterseite des Kolbenbodens verbundenen Abstützungen im Abstand von Innenseite des Ringabschnitts angebracht sind und in den Bolzenaugenbohrungen der den Kolbenschaft tragende Kolbenbolzen lagerbar ist, gekennzeichnet durch obere Nabensegmente mit Teilkreisbogenlänge, deren Stöße mit den Stößen der über die horizontale Mittelebene des Kolbenbolzens überstehenden Schenkel der unteren Nabensegmente mit Halbkreisbogenlänge verschweißt oder verlötet sind.
5. Geschmiedeter oder gegossener Kolbenkopf eines mehrteiligen Kolbens für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem der Kolbenboden radial nach außen in den die Kolbenringnuten aufweisenden Ringabschnitt übergeht, die die Naben tragenden mit der Unterseite des Kolbenbodens verbundenen Abstützungen im Abstand von Innenseite des Ringabschnitts angebracht sind und in den Bolzenaugenbohrungen der den Kolbenschaft tragende Kolbenbolzen lagerbar ist, gekennzeichnet durch obere Nabensegmente mit Halbkreisbogenlänge, mit denen geschlossene Nabenringe verbunden sind.
6. Kolbenkopf nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Nabensegmenten und den Nabenringen Schwei߬ oder Lötverbindungen bestehen.
7. Kolbenkopf nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Nabenringe mittels gegen ihren Außenumfang gespannte Stahlbänder, deren Enden mit den Abstützungen verschweißt sind, gegen die oberen Nabensegmente gepreßt sind.
8. Geschmiedeter oder gegossener Kolbenkopf eines mehrteiligen Kolbens für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem der Kolbenboden radial nach außen in den die Kolbenringnuten aufweisenden Ringabschnitt übergeht, die die Naben tragenden mit der Unterseite des Kolbenbodens verbundenen Abstützungen im Abstand von Innenseite des Ringabschnitts angebracht sind und in den Bolzenaugenbohrungen der den Kolbenschaft tragende Kolbenbolzen lagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Naben im kolbenbodenseitigen Segment kleiner als die Breite der in die Naben eingesetzten Lagerbuchsen ist.
9. Kolbenkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Überstände der Gleitlager gegen die Naben abgestützt sind.
10. Geschmiedeter oder gegossener Kolbenkopf eines mehrteiligen Kolbens für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem der Kolbenboden radial nach außen in den die Kolbenringnuten aufweisenden Ringabschnitt übergeht, die die Naben tragenden mit der Unterseite des Kolbenbodens verbundenen Abstützungen im Abstand von Innenseite des Ringabschnitts angebracht sind und in den Bolzenaugenbohrungen der den Kolbenschaft tragende Kolbenbolzen lagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an die oberen Nabensegmente mit Halbkreisbogenlänge angeformte Abschnitte zu den unteren Nabensegmenten mit Halbkreisbogenlänge geformt und diese Abschnitte in der unteren Scheitelebene der Naben durch eine Schweißnaht verbunden sind.
11. Geschmiedeter oder gegossener Kolbenkopf eines mehrteiligen Kolbens für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem der Kolbenboden radial nach außen in den die Kolbenringnuten aufweisenden Ringabschnitt übergeht, die die Naben tragenden mit der Unterseite des Kolbenbodens verbundenen Abstützungen im Abstand von Innenseite des Ringabschnitts angebracht sind und in den Bolzenaugenbohrungen der den Kolbenschaft tragende Kolbenbolzen lagerbar ist, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale eines der Ansprüche 1 bis 3 mit den Merkmalen eines der Ansprüche 3 bis 10.
12. Kolbenkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die oberen Nabensegmente jeweils eine sich auf den Stößen der unteren Nabenseqmente abstützende Lagerschale eingesetzt ist.
13. Kolbenkopf nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß in dem hinter der Innenseite des Ringabschnitts befindlichen Ringraum oberhalb einer die untere Nutenflanke der zweiten Ringnute einschließenden horizontalen Ebene ein kreisringförmiges ebenes oder im Querschnitt trogförmiges Blech unter Bildung eines Kühlkanals angeordnet und Stoffschlüssig mit der Schwei߬ oder Lötnaht verbunden ist.
14. Kolbenkopf nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Weite des Kühlkanals beidseitig einer oberhalb der zweiten Ringnute verlaufenden horizontalen Ebene um wenigstens 0,2 mm größer ist als an der engsten Stelle des Kühlkanals .
15. Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten oder gegossenen Kolbenkopfs eines mehrteiligen Kolbens für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem der Kolbenboden radial nach außen in den die Kolbenringnuten aufweisenden Ringabschnitt übergeht, die die Naben tragenden mit der Unterseite des Kolbenbodens verbundenen Abstützungen im Abstand von Innenseite des Ringabschnitts angebracht sind und in den Bolzenaugenbohrungen der den Kolbenschaft tragende Kolbenbolzen lagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling des Kolbenkopfs mit im Querschnitt ovalen Bolzenaugenbohrungen, deren größere Achse parallel zur Kolbenachsrichtung verläuft, versehen wird, die abschließend zu zylindrischen Bolzenaugenbohrungen geformt werden.
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